十年還是百年?可控核聚變卡在了哪,還要讓我們等多久?

2020-12-19 科學信仰孫晨

本文參加百家號 #科學了不起#系列徵文賽。

現在是有史以來最好的時代,從來沒有一個時代能夠像現在這樣,讓我們確信無疑未來將會一天比一天好。

這一切都要感謝於科學技術的迅速發展,在各個領域,新的事物總是層出不窮,並迅速地改變著我們的生活。在那些看得見卻還摸不著的未來技術中,最令人期待的莫過於可控核聚變技術了,因為人人都知道這項技術的實現將會徹底改變人類的生存方式。

這麼說一點也不誇張,一個文明,特別是現代文明的發展與所能夠利用的能源是息息相關的,而可控核聚變技術只需要100噸的氦-3就可以滿足全人類一年的能源需求,也就是說對於現階段的人類而言,能源將會取之不盡用之不竭。這只是一個方面,另一方面,因文明發展所帶來的一切環境問題將會迎刃而解。

ITER 國際熱核實驗堆

眾所周知,煤炭和石油等化學能源會造成嚴重的環境汙染,且這些都是不可再生能源,總有枯竭的一天。

而水力是一種稀有資源,風力存在著不穩定的因素,至於太陽能,實在是太少了。太陽的確擁有巨大的能量,但在地球表面所能夠收集到的太陽能量幾乎為零。至於現在核電站所使用的可控核裂變技術,的確是一種清潔高效的能源,但存在著一定的危險,一旦發生洩漏,則可能造成嚴重的汙染,而且產生的核廢料處理也是一個問題。

所以現在所使用的所有能源,沒有一種可以與未來的可控核聚變相比,也正因如此,可控核聚變技術被視為第一宇宙文明實現的標誌。人類發展可控核聚變技術的靈感來自於太陽,因為太陽就是一個巨大的聚變反應堆,按照現在的能源消耗速度來計算,太陽核聚變每秒鐘所產生的能量就可以滿足全人類數十萬年的能源需求,現在你應該能夠明白,為什麼我說在地球表面所能夠收集到的太陽能量幾乎為零了吧。

近距離的太陽

既然太陽就是一個巨大的聚變反應堆,那麼我們直接去收集太陽的能量不就可以了嗎,還搞什麼可控核聚變?其實我們很想這樣去做,但這太難了,這涉及到建造包裹太陽的能量收集裝置,也就是經常提到的戴森球。

戴森球被視為第二宇宙文明實現的標誌,其技術難度遠非可控核聚變能比,所以我們還是安心搞自己的可控核聚變要實際一些。什麼是核聚變呢?簡單一點來講,就是輕元素合併成重元素並釋放出能量的過程。要促使這種合併發生,首先必須要使溫度達到一定的高度,在高溫狀態下,原子的核外電子與原子核發生脫離,物質不再是我們所熟悉的三態,而是會變為等離子態。

想像中的戴森球

失去了電子的包裹,原子核就可以進行合併了,但這種合併在常規狀態下是不可能實現的,因為同性相斥,原子核都是帶正電的,兩個帶正電的原子核只能夠相互排斥,不可能相互合併。

要讓原子核合併只有一個辦法,就是讓原子核高速運動,讓速度高到足以抵消排斥力,使原子核撞在一起。而要實現如此高的運動速度就必須要有足夠的高溫,上億度的高溫。等等,太陽中心的溫度也不過2000萬攝氏度,怎麼發生的核聚變?那是因為太陽內部有著極高的壓力,而在地球上是沒有這麼大的壓力的,所以我們只能在溫度上下功夫。然而反應溫度並不是難點,難點在於用什麼東西來盛裝反應物。要知道,熔點最高的物質就是五碳化四鉭鉿,熔點為4215攝氏度,而可控核聚變反應溫度遠高於此。

唯一的辦法就是讓核聚變反應不與任何物質相接觸,用磁場或慣性來進行約束,目前國際上的可控核聚變研究也都是基於這兩個方向。

要長時間穩定約束聚變反應確實具有難度,但卡點並不在此,卡點在於成本。作為普通人,我們可能會幻想可控核聚變實現之後就不需要再繳納電費了,但在此之前,我們首先得讓可控核聚變變成一個盈利的生意。可控核聚變技術是用來發電的,而為了維持和約束反應,首先先要為其輸入大量的電能,但如果發出來的電還不如輸入的電能多,那麼這就是一筆賠本的生意,所以只有可控核聚變真正做到穩定並盈利,才能說是真正的成功。這是一條漫長的路,科學界一般認為可控核聚變技術的實現尚需百年,但也有一些人持有樂觀的態度,比如一家叫做通用核聚變的私人公司就聲稱自己能夠在十年內生產出高效的核聚變電力。我們就姑且一聽吧。

相關焦點

  • 人類想要實現可控核聚變,需要花費多久?究竟哪方面出現了問題?
    如今人類已經進入了全面化高科技時代,這都得利於科技發展,無論在科技領域還是航天領域,人類都取得了巨大性突破,在我們看不見摸不著的地方都存在科技。可是近幾年來,人類的科技仿佛停滯不前,像是被某種事物限制了一樣,隨後科學家說出了其中端倪,未來人類一旦實現可控核聚變技術,將會徹底改變人類的時代,甚至能夠改變人類的生存方式。這一說法並不是沒有任何依據,毫不誇張的來說,未來一旦實現可控核聚變技術,人類極有可能會成功移民到其他星球上,可是人類在實現可控核聚變技術的過程中,究竟哪方面出現了問題?
  • 人類掌握了可控核裂變,為啥還要艱難開發可控核聚變,有意義嗎?
    簡單的說,就是可控核聚變比可控核裂變厲害多了,好處多多了。而且可控核裂變無法從根本上解決人類發展進程的能源危機,只有可控核聚變才能夠真正解決這個發展瓶頸。人類對能量的認識和利用是逐步推進的。在猿人時代,人類的祖先們茹毛飲血,連最基本的能源都不知道。
  • 就算人類實現了可控核聚變,我們也很難走得出銀河系
    核能的來源有兩種方式,即核裂變以及核聚變。經過科學家們的不懈努力,我們已經基本上掌握了前者的利用,但因為可用於核裂變的原料很少,其質能轉換率又相對較低,所以從長遠來看,人們對以核裂變為基礎的核能並不看好。
  • 可控核聚變能成為未來汽車的動力來源嗎?
    可控核聚變在未來實現民用化,成為替代化石燃料的能量來源,這是完全有可能的。而且人類的文明想要發展到更高的水平,這一步也是必然之路。人類現在已經可以實現核聚變反應,那就是氫彈爆炸,其本質反應是氫的兩種同位素——氘和氚,發生核聚變反應。
  • 袁嵐峰:在可控核聚變的道路上,中國走到了哪一步
    但是氫彈是不可控的聚變反應,你總不能用氫彈來發電吧?所以真正的挑戰是和平的、可控的利用核聚變,俗稱「人造太陽」。 可控核聚變的難點,在於兩個問題。一,如何將聚變材料加熱到這麼高的溫度?二,用什麼容器來裝溫度這麼高的聚變材料?把核聚變反應堆看成一個火爐,第一個問題就相當於「怎麼點火」,第二個問題相當於「怎麼保證不把爐子燒穿」。
  • 中國可控核聚變技術領先世界,未來依靠核聚變能飛出太陽系嗎?
    但即便是我們已經成功地實現了多次工業革命,人類到目前為止仍然被困在地球上,很難做到大規模把人遷移到其他的天體上。目前人類最遠也就是把幾個人送到月球上,這還是消耗了大量的資源。核聚變反應按照目前的科學理論,人類能夠實現的能源最高的利用是可控核聚變反應。要了解可控核聚變之前,我們就得先搞懂核聚變反應。我們都知道,原子是由原子核和核外電子構成的,而原子核又是由質子和中子構成的。所謂的核聚變指的就是原子核的融合,也被稱為核融合。
  • 如果可控核聚變研究成功了,短期內會有哪些突破性的應用?
    可控核聚變是人類能源的下一階段構想,目前正處在研究當中,還有許多的問題擺在面前,我們總提到可控核聚變還有多長時間問世,大家都會回答五十年之後,以現在來看,恐怕還得三十年,甚至更久。核聚變是一種比核裂變更高效率地獲取能源的方式,不可控的核聚變或者說是用自身引力控制的核聚變我們都見過,那就是頭頂的太陽。而可控的核聚變就是咱們實驗室中正在研究的那個。
  • 可控核聚變遲遲不能實現,各種妖魔鬼怪就都出現了
    核聚變能,是人類最理想的能源,第一它高效,產出的能量非常巨大;第二它清潔環保,氫元素直接通過核聚變變成氦元素,而氦氣還是惰性氣體;第三,核聚變的材料充足,科學家樂觀的估計就是取之不盡用之不竭。所以,幾十年以前,很多科學家就一頭扎進了可控核聚變的研究之中,但遺憾的是,到目前為止,可控核聚變還沒有實現,畢竟太難了,如果那麼容易實現,那麼我們就不會只有一個太陽了,木星、土星等都會成為「太陽」。雖然可控核聚變一直無法實現,但人類對能源的需求卻越來越急迫了,這就產生了矛盾。
  • 新一代可控核聚變裝置建成,「人造太陽」將要來了
    近距離的太陽據人民日報相關報導,我國首代可控核聚變研究裝置「中國環流器二號M」在成都正式建成放電,標誌著我國躋身於世界可控核聚變研究前列,人類將加快對核能研究的進程。我們知道核聚變由氘、氚離子在特定條件下聚合成氦,在這個離子聚合的過程中損失的能量可以轉化為超強能量,這類似於太陽發光發熱的原理。
  • 如果可控核聚變實現無限能源,還有建設戴森球的必要嗎?
    為了從根本上突破能源問題的束縛瓶頸,世界上一些國家開始在可控核聚變上下功夫,並且已經取得了重大的階段性突破。可控核聚變的原理在自然界中,最容易實現、所需能量輸入也是最低的聚變反應,就是氫的同位素氘與氚的聚變。
  • 可控核聚變並不能讓汽車成核動力,但它依然將徹底改變人類未來!
    從理論上來說,在可控核聚變成功之後的很長一段時間內都不可能代替石油成為汽車的動力來源!核聚變之後能源取之不盡,為什麼不能作為汽車的動力來源?難道還要燒石油汙染空氣嗎?其實完全不是這樣!在可控核聚變和汽車的動力來源還有一條鴻溝必須跨越,那是什麼呢?
  • 如果人類掌握可控核聚變,我們能夠走出銀河系嗎?專家給出猜想
    如果人類掌握可控核聚變,我們能夠走出銀河系嗎?核能的來源方式有兩種,一種是核裂變還有就是核聚變,經過科學家多年的研究和努力,我們已經基本上掌握了核裂變!雖然現在人類已經知道核聚變是一種非常強大的能量,但是我們地球上擁有的核聚變能源還是非常少的,科學家在月球上發現了很多核聚變的原料,這對於人類來說絕對是一個好消息,畢竟我們可以在月球上開採能源,不過月球雖然距離地球很近,但是畢竟還是有一段距離的,月球和地球的環境不一樣,我們不可能隨便的對月球進行開採,只有科技發達之後,我們才能夠在月球上面開採資源,這樣的技術不知道多少年以後才能夠實現
  • 可控核聚變為什麼是終極能源?
    最近中國科學界可謂捷報連連,嫦娥取土待歸、九章計算出世、可控核聚變也有重大突破,前兩個都談過了,今天就來談一談可控核聚變,俗稱人造太陽,提到核聚變,許多人自然就想到了核裂變,我也簡單說一說。而核聚是較輕的核聚變為較重的核,主要原材料是氫的同位素氘和氚,其中氘在海水中的存儲量很大大約是十萬分之一,別看這個數字很小,0.03g氘聚變產生的能量相當於300升汽油,至於地球上的海水有多少我就不提了,總之這些氘聚變產生的能量足夠為我們人類提供上億年的保障,而且氘的提取方法還很便捷,這麼好的事那去找?
  • 以「人造太陽」成功放電,解讀什麼是可控核聚變,為何如此重要
    12月4日,成都西南角,我國新一代可控核聚變研究裝置「中國環流器二號M裝置(HL-2M)」正式建成放電,標誌著我國正式跨入全球可控核聚變研究前列。而目前,世界上關於可控核聚變研究最著名的當屬國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER),該計劃自2006年聯合籤署,涉及35個國家通力合作,預計將在2025年實現第一次等離子放電。
  • 人類未來能否實現可控核聚變?
    能量是我們現代工業文明所面臨的最重要的課題之一。我們從什麼地方獲得能量,我們用能量做什麼,以及我們如何處理獲取能量後產生的廢物,這些對我們人類在地球上的未來至關重要。然而,能量是物理學中最令人費解的物理量之一。下面就說下能量的本質,什麼是能量的「聖杯」以及核聚變的未來!能量的本質是什麼?
  • 如果可控核聚變實現無限能源,戴森球還有存在的意義嗎?
    在核聚變的過程中可以釋放出大量的能量,並且要比核裂變清潔得多,還有核聚變所需的氚在地球的海水中都可以找到,解決了原料問題。眾所周知,核聚變反應所釋放的能量是巨大的,而可控核聚變也被譽為能源領域的「聖杯」。什麼是可控核聚變?
  • 新一代可控核聚變研究裝置建成放電(創新前沿)
    本報北京12月4日電  (記者蔣建科、馮華)12月4日,我國新一代可控核聚變研究裝置「中國環流器二號M」(HL—2M)在成都正式建成放電
  • 當人類徹底掌握可控核聚變技術後,未來世界會發生什麼變化?
    如果能夠解決核聚變技術,人類將獲得取之不盡用之不竭的新能源。人類點滿核聚變這項劃時代的技術,帶來的影響不亞於前三次工業革命,從此之後再也不用擔心能源短缺問題,就可以把目光投入到太空,將文明的火種撒向整個太陽系。當然,這一天的到來還有點遠,但可控核聚變的技術正在飛速發展中,也許我們有生之年就能夠享受到這項技術穩定發電帶來的便利。
  • 中國已實現一億度高溫的「人造太陽」,可控核聚變還遠嗎?
    很多人對於一億度的高溫並沒有什麼概念,我們能想像到的高溫或許最多也只有幾千度罷了!一億度的高溫到底什麼概念? 看看太陽系的統治者太陽的核心最高溫度才有1500萬度而已,就是這樣的溫度照耀了整個太陽系!
  • 中國可控核聚變反應研究取得突破性進展
    「人造太陽」裝置是我國為了實現核聚變所研製的,目前「人造太陽」的多項實驗參數已經接近核聚變穩定運轉所需要的物理參數 ,這將是未來中國實現核聚變反應穩定運行的關鍵一步。我們都知道要實現核聚變是具有超高溫度的,幾乎沒有容器的可以承受上億的溫度的溫度,那麼怎麼才可以在地球表面實現這一溫度呢。